2.4 Laminer, kernelamina og kernemekanik

Laminer og deres associerede proteiner danner et tæt netværk (kernelamina) langs den indre kernemembran. Laminaen interagerer med proteiner fra den indre kernemembran, nukleare porekomplekser og det indre af kernen. Laminer er intermediære filamenter af type V, der kan inddeles i to klasser: (1) laminer af A-typen, som dannes ved alternativ splejsning af LMNA-genet til lamin A og C og nogle mindre hyppige isoformer, og (2) laminer af B-typen, som er kodet af LMNB1- og LMNB2-generne, der producerer henholdsvis lamin B1 og B2/B3.38 Mens laminer af A-typen og laminer B1 og B2 udtrykkes i næsten alle somatiske celler, er lamin B3-ekspressionen begrænset til kønsceller. Lamin A- og B-type laminer gennemgår en omfattende posttranslationel behandling ved C-terminus, herunder farnesylering og endoproteolytisk spaltning. B-type laminer forbliver permanent farnesylerede og er således fastgjort til den indre kernemembran, selv under mitose.46 I modsætning hertil gennemgår lamin A en yderligere modifikation, hvor proteinet Zmpste24 fjerner den farnesylerede hale, hvilket resulterer i modent lamin A. Lamin C, som har en særskilt C-terminus, gennemgår ikke den samme behandling og er ikke farnesyleret.10 Modent lamin A og lamin C, som mangler den hydrofobiske farnesylhale, kan findes både i nukleoplasmaet og i kernelaminaen.47

Laminer, som har en halveringstid på ≈ 13 h, samles til stabile filamenter.48 De danner parallelle dimere gennem coiled-coil interaktion af deres centrale stavdomæner.38 Dimerne associerer hoved til hale og samles derefter lateralt på en antiparallel måde til upolære filamenter med en endelig diameter på ca. 10 nm. I transmissionselektronmikrografer af pattedyrceller er kernelaminaen synlig som et 25-50 nm tykt tæt proteinlag under den indre kernemembran.7,17 Den højere ordensstruktur af laminer i somatiske celler er ikke helt forstået på grund af laminaens tætte tilknytning til kromatin, hvilket gør billeddannelse med høj opløsning til en udfordring.49 Xenopus oocytter udgør imidlertid ikke de samme udfordringer; elektronmikrografer i disse celler viser en laminstruktur bestående af et kvadratisk gitter af ≈ 10 nm tykke tværbundne filamenter.49,50 På grund af dette menes laterale interaktioner mellem dimerer og protofilamenter at være kritiske for opretholdelsen af den korrekte højere-ordens struktur. Baseret på matematisk modellering ser det ud til, at heptadernes korrekte viklingsretning er vigtig for at muliggøre “udpakning” og efterfølgende fastgørelse til den tilstødende streng.51 Mutationer kan resultere i øget eller nedsat stabilitet på grund af forkert samling og/eller binding.52 Det er vigtigt at bemærke, at disse idéer afventer eksperimentel bekræftelse. Det er interessant, at selv om forskellige laminisoformer alle kan interagere og danne heteropolymerer in vitro, adskiller de sig typisk i homopolymerer og danner forskellige, men overlappende netværk in vivo.53-56

Men selv om der stadig er nogle spørgsmål om filamentet og den strukturelle samling af laminaen in vivo, er betydningen af nukleare laminer for at bidrage til nuklear stivhed og stabilitet blevet utvetydigt fastslået. Baseret på mikropipette-aspirationseksperimenter på isolerede kerner fra Xenopus oocytter, som kan svulmes osmotisk for at adskille kromatinet fra kernelaminatet, har lamininetværket et elasticitetsmodul på ≈ 25 mN/m.57 Til sammenligning har neutrofilernes plasmamembran et elasticitetsmodul på ≈ 0,03 mN/m, og chondrocyt- og endothelcellemembraner har et modul på ≈ 0,5 mN/m.58 Ved hjælp af en række forskellige eksperimentelle tilgange er kernes stivhed blevet bestemt til at være 2-10 gange stivere end det omgivende cytoplasma, afhængigt af den pågældende celletype og målemetode.16,59,60 Ved sammenligning af kerneomslagets lysestrækkelse (dvs, kernelaminaen og kernemembranerne) med den for en simpel dobbelt lipidmembran for at skelne mellem bidraget fra kernelaminaen, var kernelaminatets lysispænding 12 gange højere end for det standardiserede dobbeltmembransystem, hvilket fremhæver kernelaminatets stabiliserende virkning.57 På samme måde viser celler, der mangler laminer A/C, når et fluorescerende farvestof injiceres i kernen af levende celler, dramatisk øgede hastigheder af kernebrud sammenlignet med celler af vildtypen.61

I betragtning af denne vigtige rolle, som laminerne spiller for at give kernen strukturel integritet, hvad er så bidraget fra de forskellige typer laminer til kernemekanikken? Mens laminer af B-typen er næsten ubiquitært og ensartet udtrykt blandt forskellige celletyper og væv, er lamin A/C-ekspressionen meget vævsspecifik. For eksempel er muskelceller og andre mesenkymale celler typisk blandt de højeste ekspressionsniveauer for laminer af A-type.62,63 En nylig undersøgelse viste, at forholdet mellem laminer af A-type og B-type i forskellige væv er tæt korreleret med vævets stivhed, hvilket tyder på en mekanisk følsom regulering af laminniveauerne,62 hvilket kunne bidrage til at beskytte kernen mod mekanisk stress ved at øge den mekaniske stabilitet.61 I celler, der udtrykker både A- og B-type laminer, er laminerne A og C de største bidragsydere til kernestabilitet, idet B-type laminer har en mindre rolle i den samlede kernestivhed.64 Ikke desto mindre kan der være en vis funktionel redundans mellem laminerne med hensyn til mekaniske egenskaber. For eksempel kan introduktion af lamin B i lamin A-null-celler delvist redde mekaniske defekter.54,65 Desuden er laminer af B-typen vigtige for kerneforankring til cytoskelettet, især under neuronal migration/udvikling i hjernen, da disse celler mangler laminer af A-typen.66-69

Sådan udtrykker embryonale stamceller ikke laminer af A-typen, før de begynder at differentiere. Når de først aftager deres stammeform, øges deres kernestivhed op til seks gange i forhold til den udifferentierede tilstand. Dette skyldes højst sandsynligt de øgede niveauer af laminer A/C i den nye stamme og muligvis ændringer i kromatinkonfigurationen.14,63 Nogle få specialiserede differentierede celler, især neutrofiler og neuroner, udtrykker næsten ingen laminer af A-typen, selv efter differentiering.68,70 Manglen på laminer af A-typen i embryonale stamceller, neutrofiler og neuroner kan lette migrationen, så disse celler kan bevæge sig gennem tætte væv og interstitielle rum under udvikling og inflammation.71 F.eks. fremmer faldet i lamin A/C-niveauerne sammen med den samtidige stigning i ekspressionen af lamin B-receptor (LBR) under granulopoiesen den tydelige, stærkt lobulerede kerneform hos modne neutrofile.15 Desuden resulterer de lave niveauer af lamin A i en meget deformerbar kerne, der gør det muligt for neutrofile at klemme sig let gennem små rum.15 På samme måde kan regulering af lamin A/C-niveauer også regulere trafikering og lineage modning af andre hæmatopoietiske celletyper.72

Ud over ændringer i lamin-ekspression kan posttranslationelle modifikationer af laminer yderligere påvirke kernemekanikken. Laminer fosforyleres under mitose, hvilket får dem til at blive opløselige og spredes i cytoplasmaet.47,73 Da farnesylering og fosforylering af laminer ændrer deres opløselighed, interaktion og lokalisering, kan disse posttranslationelle modifikationer også give cellerne mulighed for dynamisk at justere deres nukleare stivhed som reaktion på mekaniske stimuli.62